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南理工人工光合制氢研究成果推进氢能源工业化

时间:70-01-01 08:00 来源:

龙虎网讯(通讯员 代成 记者 田宇宙)借鉴自然界的光合作用原理,通过人工光合成途径将太阳能转化为化学能,特别是氢能,是人类开发和利用太阳能并逐步解决当前的能源短缺和环境污染问题的理想途径。因此,设计并制备新型的人工光合成“部件”,构建来源广泛、成本低廉、性能卓越的光催化体系具有迫切的现实意义。

近日,南理工材料学院“青年拔尖人才选聘计划”张侃教授等通过缺陷诱导的外延生长法,合成出了硫化镉、硫化钼异质结构光催化剂。这种催化剂解决了人工光合制氢反应中硫化钼做催化剂电荷传输效率低的问题,保证了人工光合作用制氢的高效率,并且极大地降低了成本。这一研究成果推进了高效、清洁的氢能源工业化生产的步伐。

在人工光合作用过程中助催化剂在太阳能到化学能的转换效率上扮演着至关重要的角色。过去,主要依赖稀有金属铂、金、铱、铑等做助催化剂,虽效率较高,但是价格昂贵,无法满足工业化生产的需要。人们在不断探索中发现来源广泛且廉价的硫化钼具有与金属铂类似的析氢催化活性,但是,在光催化制氢反应中,电荷从半导体材料向硫化钼传输却比向金属铂传输的效率低很多,导致太阳能到氢能的转换效率比较低。因此,如何提高二硫化钼助催化体系中的太阳能到氢能的转换效率是推动这种无铂人工光合作用的关键。

张侃与美国斯坦福大学、韩国延世大学、韩国成均馆大学、韩国科学研究院等就硫化钼的纳米结构调控展开一系列研究,旨在提高硫化钼在光催化反应中的电荷收集效率。起初他们通过同性溶剂法在国际上首次合成出了克量级的硫化钼尖端焊接硫化镉纳米棒的异质结构,这种结构过去只在金、铂等贵金属颗粒上得以实现。美中不足的是,尽管两者结构和催化活性相似,但是铂尖端焊接硫化镉纳米棒的太阳能到氢能的转换效率却高出硫化钼尖端焊接硫化镉纳米棒的三倍。但值得庆幸的是,这些尝试让他们相信在硫化镉上是可以可控生长硫化钼的。最近,他们通过在硫化钼纳米棒表面构筑缺陷,调控合成条件,最终实现了外延生长的硫化镉、硫化钼异质光催化剂。在国际上首次获得了这种共轴外延生长的异质结构。这种异质光催化剂减少了电荷在界面间传输时的能量损耗,在420nm下的量子效率接近80%。这与当前报道的铂金、硫化镉的100%的量子效率差距已经很小,重要的是,这种硫化镉/硫化钼异质光催化剂在保证了人工光合作用制氢的效率得同时,相比较铂金/硫化镉降低了几十倍的生产合成成本。

该研究成果为实现廉价、高效的人工光合作用制氢技术提供新思路,推进了氢能源工业化生产。相关结果已发表在Nano Letters上(2017,DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02622),影响因子13.8。

来源:龙虎网  编辑:王缘

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